Halcon軟件在機(jī)器視覺(jué)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

黎小琴

摘 要：針對(duì)高等院校機(jī)器視覺(jué)和數(shù)字圖像處理等課程的特點(diǎn)，探討了如何應(yīng)用Halcon軟件改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和教學(xué)手段，并結(jié)合實(shí)例說(shuō)明Halcon在機(jī)器視覺(jué)圖像處理等教學(xué)中的應(yīng)用。教學(xué)實(shí)踐表明，在機(jī)器視覺(jué)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)階段引入Halcon軟件，更有利于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)技術(shù)的深入理解，提高學(xué)生的創(chuàng)新和實(shí)踐能力，收到了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：Halcon 軟件 機(jī)器視覺(jué) 數(shù)字圖像處理 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）10（c）-0172-02

圖像處理、圖像分析、機(jī)器視覺(jué)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)是彼此緊密關(guān)聯(lián)的學(xué)科，其特點(diǎn)均具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。如果在教學(xué)中不重視實(shí)踐教學(xué)或?qū)嵺`教學(xué)手段不力，都不利于學(xué)生創(chuàng)新能力和動(dòng)手能力的培養(yǎng)。高校教師應(yīng)重視理論教學(xué)的同時(shí)，更要重視實(shí)踐教學(xué)，關(guān)鍵是要找到強(qiáng)有力的教學(xué)方式和教學(xué)手段，找到恰當(dāng)?shù)膱D像處理軟件。Matlab科學(xué)計(jì)算軟件具有豐富的圖像處理工具箱[1-2]，目前被廣泛1應(yīng)用于圖像處理的教學(xué)中。但是，機(jī)器視覺(jué)課程具有很強(qiáng)的理論和實(shí)踐性，一些功能齊全的機(jī)器視覺(jué)軟件，如Halcon和Open CV等軟件的出現(xiàn)，為提高這些課程的實(shí)踐教學(xué)效果提供了新的手段。本文將探討如何應(yīng)用Halcon軟件改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和手段，并結(jié)合實(shí)例說(shuō)明Halcon在機(jī)器視覺(jué)等課程教學(xué)中的應(yīng)用。

1 機(jī)器視覺(jué)硬件系統(tǒng)概述

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)[3]是基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)為機(jī)器或自動(dòng)化生產(chǎn)線建立的一套視覺(jué)系統(tǒng)，圖1為實(shí)驗(yàn)用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，包含攝像機(jī)、照明光源、鏡頭、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成。

2 Halcon概述

Halcon 軟件是德國(guó)MVtec公司開(kāi)發(fā)的一套完善的標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器視覺(jué)算法包[4]，是得到廣泛應(yīng)用的機(jī)器視覺(jué)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，提供了1100多種具備突出性能控制器的庫(kù)，如圖像的運(yùn)算、圖像的幾何與數(shù)學(xué)變換、濾波、色彩分析、Blob分析、形態(tài)學(xué)計(jì)算分析、3D校正等。Halcon軟件保障與硬件無(wú)關(guān)，支持大多數(shù)圖像采集卡及帶有Directshow和IEEE 1394驅(qū)動(dòng)的采集設(shè)備。

Halcon軟件包含一個(gè)功能強(qiáng)大的交互式軟件接口HDevelop，提供一個(gè)通用的瀏覽界面，訪問(wèn)不同的圖像采集設(shè)備，支持Windows、Linux和Solaris運(yùn)行環(huán)境，為用戶搭建了快速有效的圖像處理程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它甚至可以從圖像采集設(shè)備中實(shí)時(shí)捕捉圖像。HDevelop擁有很多數(shù)據(jù)和圖像檢查的圖形工具。它的圖形用戶界面支持多種顯子語(yǔ)言。HDevelop具備語(yǔ)法檢查，語(yǔ)法凸現(xiàn)，函數(shù)參數(shù)的合適取值，后續(xù)操作和替代算子建議，程序調(diào)試，完整的在線幫助等功能。Halcon軟件還可以導(dǎo)出以C++、C#、C、Visual Basic或者VB.NET程序，以嵌入到其他程序中。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用實(shí)例

在機(jī)器視覺(jué)等課程的理論教學(xué)中，我們的教學(xué)目的是讓學(xué)生掌握相關(guān)的理論知識(shí)，在機(jī)器視覺(jué)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)階段，我們更要培養(yǎng)學(xué)生的算法編程能力和實(shí)踐應(yīng)用能力。利用Halcon軟件的高度交互式編程環(huán)境HDevelop，能編譯和測(cè)試視覺(jué)處理算法，可以方便查看處理結(jié)果。再者，Halcon軟件自帶許多圖像處理與機(jī)器視覺(jué)的相關(guān)案例，涵蓋了圖像處理與機(jī)器視覺(jué)基礎(chǔ)知識(shí)的大部分內(nèi)容[4]。我們?cè)诮淌趯W(xué)生理論知識(shí)的同時(shí)，結(jié)合案例的講解，使學(xué)生在掌握理論的同時(shí)熟悉實(shí)踐過(guò)程，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的編程實(shí)現(xiàn)能力。因此選擇Halcon軟件作為教學(xué)軟件，成為培養(yǎng)學(xué)生圖像處理和視覺(jué)處理算法編程能力和實(shí)踐能力的又一重要手段。由于篇幅限制，這里僅以利用Blob分析算法實(shí)現(xiàn)車(chē)牌識(shí)別的實(shí)例來(lái)說(shuō)明 Halcon軟件在機(jī)器視覺(jué)與數(shù)字圖像處理等課程教學(xué)中的應(yīng)用。

Blob分析算法實(shí)現(xiàn)車(chē)牌定位識(shí)別程序如下：

read_image（Image，'lisence'）

fill_interlace（Image，ImageFilled，'odd'）

threshold（ImageFilled，Region，0，90）

connection（Region，ConnectedRegions）

select_shape（ConnectedRegions， SelectedRegions，'width'，'and'，30，70）

select_shape （SelectedRegions，Letters， 'height'，'and'，60，110）

sort_region（Letters，SortRegions，'upper_left'，'true'，'column'）

read_ocr_class_mlp（'Industrial_0-9A-Z.omc'，OCRHandle）

do_ocr_multi_class_mlp（SortRegions，ImageFilled，OCRHandle，Class，Confidence）

area_center（SortRegions，Area，Row， Column）

disp_message（3600，['The result is：']， 'window'，200，150，'yellow'，'false'）

for Index：=0 to 6 by 1

disp_message（3600，Class[Index]， 'window'，200，300+20*Index，'yellow'， 'false'）endfor

上面程序中，利用read_image算子讀入要識(shí)別的車(chē)牌圖像，命名為Image，如圖2所示；通過(guò)fill_interlace算子修改在采集圖像過(guò)程中造成的兩個(gè)半幅圖像拼接的問(wèn)題。接著，用threshold算子對(duì)圖像進(jìn)行閾值分割處理，分割出含有車(chē)牌的圖像區(qū)域，灰度閾值范圍為0～90；接著用connection算子將選擇出來(lái)的區(qū)域進(jìn)行相聯(lián)，形成相連區(qū)域ConnectedRegions，如圖3所示。處理后的圖像除了車(chē)牌區(qū)域使我們的感興趣區(qū)域外，其他的都為干擾區(qū)域，于是用算子select_shape通過(guò)限定width和height將車(chē)牌區(qū)域選擇出來(lái)，如圖4所示。車(chē)牌區(qū)域共有7個(gè)，從左至右排序后，利用現(xiàn)有Industrial_0～9A～Z字符庫(kù)對(duì)車(chē)牌7個(gè)部分進(jìn)行識(shí)別，用到算子do_ocr_multi_class_mlp。識(shí)別之后，利用for循環(huán)將結(jié)果用淺黃色字體顯示在窗口中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從上面的車(chē)牌識(shí)別實(shí)例可以看出，HDevelop交互編程環(huán)境中的函數(shù)概念清楚，用法明了，應(yīng)用簡(jiǎn)單。由于每一個(gè)HDevelop算子的各個(gè)參數(shù)都可以在編程過(guò)程中及時(shí)調(diào)整和編輯，這樣我們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)程序進(jìn)行單步調(diào)試，講解重要算子的選擇、調(diào)試和參數(shù)編輯，讓同學(xué)們看到算法運(yùn)行的每一個(gè)步驟，這樣同學(xué)們就能很快掌握相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。Halcon具備可實(shí)時(shí)查看圖像屬性的交互對(duì)話框，來(lái)查看程序中的參數(shù)設(shè)置，灰度直方圖，特征值柱狀圖，放大鏡和特征檢測(cè)等。隨著學(xué)生對(duì)HDevelop編寫(xiě)算法的掌握，后續(xù)的教學(xué)部分可以從HDevelop導(dǎo)出算法代碼并集成到應(yīng)用程序中，例如生成用戶界面等，這樣同學(xué)們就可以開(kāi)發(fā)機(jī)器視覺(jué)程序，添加用戶界面，集成調(diào)試生成可執(zhí)行的應(yīng)用程序。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合機(jī)器視覺(jué)和圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)和難點(diǎn)，我們采用Halcon軟件進(jìn)行機(jī)器視覺(jué)和圖像處理輔助教學(xué)，將Halcon引入到機(jī)器視覺(jué)教學(xué)中，通過(guò)對(duì)典型案例的講解和程序一步步的調(diào)試以及編程過(guò)程的演示，對(duì)學(xué)生進(jìn)一步理解理論知識(shí)有很大的幫助，可以激發(fā)學(xué)生自己動(dòng)手編寫(xiě)有特定需求的圖像處理算法程序，提高學(xué)生的編程實(shí)踐能力，取得良好的教學(xué)效果。由于Halcon易學(xué)易用，能很好的激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，我們可以通過(guò)課程設(shè)計(jì)來(lái)鼓勵(lì)學(xué)生利用Halcon編寫(xiě)自己的機(jī)器視覺(jué)算法程序，我們還可以通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)來(lái)讓學(xué)生編寫(xiě)和開(kāi)發(fā)自己的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用程序，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)和科研熱情，提高解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

參考文獻(xiàn)

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[2] 張廣軍.機(jī)器視覺(jué)[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[3] 金貝.基于Halcon的機(jī)器視覺(jué)教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京：北京交通大學(xué)，2012.

[4] 李樹(shù)濤，黎福海，林翚.Halcon軟件在機(jī)器視覺(jué)課程實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究，2012（3）：61-63.endprint